微机控制技术第七章多微处理机控制系统

1、第七章第七章 多微处理机控制系统多微处理机控制系统8-1 概概 述述一、多微处理机控制系统的定义及分类一、多微处理机控制系统的定义及分类多微处理机系统：是指一个具有两个或多个微处理机并能相多微处理机系统：是指一个具有两个或多个微处理机并能相互进行通信以协同工作的微机系统。互进行通信以协同工作的微机系统。 特点：特点：紧耦合系统紧耦合系统(TCS) 松耦合系统松耦合系统(LCS) 分级结构系统分级结构系统系统结构形式分类：系统结构形式分类： 有两个或多个微处理机。有两个或多个微处理机。 共享存储器或高速通信网络。共享存储器或高速通信网络。 共享输入输出设备。共享输入输出设备。 机间硬件和软件有交

2、互作用。机间硬件和软件有交互作用。二、多微处理机控制系统的优点二、多微处理机控制系统的优点 有较高的处理速度有较高的处理速度并行处理形式：并行处理形式： 采用单指令流多数据流采用单指令流多数据流 采用多指令流多数据流采用多指令流多数据流 采用流水线作业方式采用流水线作业方式 提高系统的可靠性提高系统的可靠性 系统便于扩充和修改系统便于扩充和修改 实现复杂分散控制和管理一体化实现复杂分散控制和管理一体化 通过多微处理机实现并行处理，是开发超级计算机的重通过多微处理机实现并行处理，是开发超级计算机的重要途径。要途径。三、多微处理机控制系统中应解决的问题三、多微处理机控制系统中应解决的问题 系统的结

3、构形式和通信方案系统的结构形式和通信方案 任务分割和开发并行性问题任务分割和开发并行性问题 正确处理资源竞争和死锁问题正确处理资源竞争和死锁问题 提高系统可靠性和动态重组问题提高系统可靠性和动态重组问题7-2 多微处理机控制系统的结构形式多微处理机控制系统的结构形式多微处理机控制系统的结构形式有：多微处理机控制系统的结构形式有： 紧耦合系统紧耦合系统(TCS) 松耦合系统松耦合系统(LCS) 分级结构系统。分级结构系统。一、紧耦合系统一、紧耦合系统紧耦合系统：紧耦合系统：是指通过电信号连接在一起共享公共硬件资源是指通过电信号连接在一起共享公共硬件资源的系统。的系统。紧耦合系统结构形式有：紧耦合

4、系统结构形式有：公用总线结构公用总线结构 多端口存储器结构多端口存储器结构 交叉开关结构交叉开关结构 总线窗口结构总线窗口结构1公用总线结构公用总线结构特点：特点： 构简单，价格便宜。构简单，价格便宜。 系统硬件扩充性好系统硬件扩充性好 系统效率及可靠性系统效率及可靠性均受总线限制均受总线限制 随着微处理机数目随着微处理机数目的增加，功能的扩展及的增加，功能的扩展及系统效率会下降。系统效率会下降。2多端口存储器结构多端口存储器结构公共存储器的特点：公共存储器的特点： 访问快，吞吐量大，系统效率高。访问快，吞吐量大，系统效率高。 可靠性较高。可靠性较高。 存储器模块结构复杂，价格较贵。存储器模块

5、结构复杂，价格较贵。 由于系统可利用的存储器端口数有限，因此限制了系由于系统可利用的存储器端口数有限，因此限制了系统的扩展。统的扩展。 3交叉开关结构交叉开关结构系统特点：系统特点： 系统并行处理能力高，具有最高的传送效率。系统并行处理能力高，具有最高的传送效率。 可采用关键部件的冗余结构，提高系统的可靠性。可采用关键部件的冗余结构，提高系统的可靠性。 系统结构复杂，价格昂贵。系统结构复杂，价格昂贵。 电子开关难于设计、制造。电子开关难于设计、制造。二、松耦合系统二、松耦合系统总线型总线型环型环型星形星形树型树型混合型混合型松耦合系统结构形式有：松耦合系统结构形式有：1总线型结构总线型结构总线

6、型结构：总线型结构：多个微机通过控制装置和公共通信媒体结合成多个微机通过控制装置和公共通信媒体结合成一个总线型网络。一个总线型网络。结构特点：结构特点：结构简单、扩展性好，可靠性高，总线型局域网结构简单、扩展性好，可靠性高，总线型局域网络中某一结点发生故障时不会影响整个网络的工作。络中某一结点发生故障时不会影响整个网络的工作。存在问题：存在问题：当总线本身出现故障时，会导致整个局部网络当总线本身出现故障时，会导致整个局部网络不能工作。不能工作。工作站之间传送信息采用串行信息帧。工作站之间传送信息采用串行信息帧。帧：所传送信息的结构。帧：所传送信息的结构。同步通信信息帧包括：同步序列（同步字符）

7、、目的地址、源同步通信信息帧包括：同步序列（同步字符）、目的地址、源地址、数据类型、数据块和冗余检验码。地址、数据类型、数据块和冗余检验码。冗余检验码：冗余检验码：提高传输质量的方法有两种：提高传输质量的方法有两种： 改善信道的电性能，使误码率降低；改善信道的电性能，使误码率降低； 接收端检验出错误后，自动纠正错误，或让发送端重接收端检验出错误后，自动纠正错误，或让发送端重新发送，直到接收到正确的信息为止。新发送，直到接收到正确的信息为止。冗余校验就是差错控制技术中检验错误的一种方法。冗余校验就是差错控制技术中检验错误的一种方法。竞争总线系统存取信息控制方法：竞争总线系统存取信息控制方法： 载

8、波侦听多重访问冲突检测法载波侦听多重访问冲突检测法(CSMACD) 时间片法时间片法2环型结构环型结构优点：优点：结构简单，控制逻辑也比较简单，成本低。它是全互连结构简单，控制逻辑也比较简单，成本低。它是全互连结构的简化。结构的简化。 缺点：缺点：可靠性差，因为接口采用串行结构，因此接口的故障将可靠性差，因为接口采用串行结构，因此接口的故障将严重地影响整个系统。严重地影响整个系统。 3星形结构星形结构优点：优点：结构简单明了，主结点到各站延时固定，易于信息汇结构简单明了，主结点到各站延时固定，易于信息汇集、转接。集、转接。缺点：缺点：可靠性差、容易产生信息阻塞，线路利用率不高。可靠性差、容易产

9、生信息阻塞，线路利用率不高。三、分级结构形式三、分级结构形式分级结构形式有两重含义：分级结构形式有两重含义： 纵向分层：在纵向上需要多种功能。这些功能应当分纵向分层：在纵向上需要多种功能。这些功能应当分成层次，下一层功能是上一层功能的基础。成层次，下一层功能是上一层功能的基础。 横向分解：在纵向分层的基础上，应当再进一步对同横向分解：在纵向分层的基础上，应当再进一步对同一层的任务进行横向分解。一层的任务进行横向分解。7-3 多微处理机控制系统的总线技术多微处理机控制系统的总线技术 一、总线一、总线 总线：总线：就是计算机系统内部各独立模块之间传递各种信息的就是计算机系统内部各独立模块之间传递各

10、种信息的渠道，也是一组线的集合。渠道，也是一组线的集合。 总线的电气连线：总线的电气连线： 数据和地址线数据和地址线 控制、时序和中断信号线控制、时序和中断信号线 电源线和地线电源线和地线 备用线备用线 二、总线的分类二、总线的分类 计算机控制系统计算机控制系统 ：总线按功能和总线按功能和结构可分为：结构可分为：内部总线内部总线外部总线外部总线并行总线并行总线串行总线串行总线内内 部部 总总 线线RAMROMA/DD/ADIDO外部总外部总线接口线接口系系 统统 ACPU内内 部部 总总 线线RAMROMA/DD/ADIDO外部总外部总线接口线接口系系 统统 B外外 部部 总总 线线CPU 1

11、、内部总线和外部总线、内部总线和外部总线 内部总线：内部总线：计算机系统内部的模板和模板之间进行通信的计算机系统内部的模板和模板之间进行通信的总线，又称插件板极总线。总线，又称插件板极总线。 总线功能：总线功能： 数据总线数据总线 地址总线地址总线 控制总线控制总线 电源总线电源总线 机械要素：机械要素：模板尺寸、接插件尺寸、针数。模板尺寸、接插件尺寸、针数。 电气要素：电气要素：信号的电平、信号的时序。信号的电平、信号的时序。 2、并行总线和串行总线、并行总线和串行总线并行总线的优点：并行总线的优点：信号线各自独立，信号传输快，接口简单。信号线各自独立，信号传输快，接口简单。 缺点：缺点：电

12、缆线数多。电缆线数多。串行总线的优点：串行总线的优点：电缆线数少，便于远距离传输。电缆线数少，便于远距离传输。 缺点：缺点：信号传输慢，接口复杂。信号传输慢，接口复杂。 外部总线：外部总线：计算机系统和系统或计算机系统与外设之间进行计算机系统和系统或计算机系统与外设之间进行通信的总线。通信的总线。 机械要素：机械要素：插件型号、电缆线。插件型号、电缆线。电气要素：电气要素：发送与接收信号的电平、发送与接收信号的时序。发送与接收信号的电平、发送与接收信号的时序。功能要素：功能要素：发送与接收的管理能力、发送与接收的控制能力、发送与接收的管理能力、发送与接收的控制能力、发送与接收的编码规则。发送与

13、接收的编码规则。三、三、 STD总线（内部总线）总线（内部总线） STD总线是一种面向工业控制的总线是一种面向工业控制的8位微机总线，通过位微机总线，通过对原对原STD总线进行改造，使它升格为总线进行改造，使它升格为8位位/16位兼容总线，位兼容总线，32位位STD总线标准也已推出。总线标准也已推出。 用用STD总线标准设计的模块计算机系列，称为总线标准设计的模块计算机系列，称为STD总总线模块式工业控制计算机。线模块式工业控制计算机。1STD总线引脚分配总线引脚分配 STD总线采用小板结构（总线采用小板结构（114.3mm*165.1mm），它是），它是56线的同步总线，可分为线的同步总线，

14、可分为5个功能组。个功能组。 各组引脚及功能如下：各组引脚及功能如下： 逻辑电源线：逻辑电源线： 引脚引脚16 （1、2 +5V；3、4GND；5、6 -5V） 数据总线：数据总线： 引脚引脚714 （D0D7） 地址总线：地址总线： 引脚引脚1530 （A0A15） 控制总线：控制总线： 引脚引脚3152 22根根 辅助电源线：辅助电源线： 引脚引脚5356 53、54：/AUXGND附加电源地附加电源地 55：+12V附加附加+12V电源电源 56：-12V附加附加-12V电源电源 数据总线是数据总线是8位、双向、三态、高有效的总线。定义引脚是位、双向、三态、高有效的总线。定义引脚是D。D

15、7，扩展地址是，扩展地址是A16A23。 地址总线是地址总线是16位、三态、高有效的总线。定义引脚是位、三态、高有效的总线。定义引脚是A8Al5数据总线扩展是数据总线扩展是D8D15。控制总线控制总线 STD总线信号功能：总线信号功能： 存储器、存储器、I/O操作操作 存储器扩展存储器扩展 存储器映象存储器映象I/O 动态存储器刷新动态存储器刷新 直接访存、直接访存、 多微处理器结构多微处理器结构 电源掉电再启动电源掉电再启动 优先级矢量中断优先级矢量中断 总线响应总线响应存储器和存储器和IO控制控制 31） /WR：写控制信号：写控制信号 32）/RD：读控制信：读控制信 33）/IORQ：

16、I/O地址选择信号地址选择信号 34）/MEMRQ：存储器地址选择信号：存储器地址选择信号 35）IOEXP：I/O扩展信号扩展信号 36）MEMEX：存储器扩展信号：存储器扩展信号 外围设备定时外围设备定时 37）/REFRESH：存储器刷新信号：存储器刷新信号 38）/MCSYNC：CPU机器周期同步信号机器周期同步信号 39）/STATUS1 40）/STATUS0 CPU状态信号线状态信号线 中断和总线控制中断和总线控制 41）/BUSAK：总线响应信号：总线响应信号 42）/BUSRQ：总线请求信号：总线请求信号 43）/INTAK：中断响应信号：中断响应信号 44）/INTRQ：中

17、断请求信号：中断请求信号 45）/WAITRQ：等待请求信号：等待请求信号 46）/NMIRQ：非屏蔽中断请求信号：非屏蔽中断请求信号 时钟和复位时钟和复位 47）/SYSRESET：系统复位信号线：系统复位信号线 48）/PBRESET：按钮复位信号线：按钮复位信号线 49）/CLOCK：处理器时钟信号：处理器时钟信号 50）/CNTRL：附加同步信号线：附加同步信号线 串行优先级链串行优先级链 51）BAO：优先级链输出信号：优先级链输出信号 52）BAI：优先级链输入信号：优先级链输入信号 2总线优先级控制总线优先级控制 串联总线优先级控制串联总线优先级控制 并联总线优先级控制并联总线优

18、先级控制 3兼容式的总线结构兼容式的总线结构 STD总线具有兼容式的总线结构，它的兼容性很强。总线具有兼容式的总线结构，它的兼容性很强。STD总线支持各种系列的计算机。总线支持各种系列的计算机。 四、四、PC总线总线 （内部总线）（内部总线） PC总线是工业控制计算机中常用的一种总线总线是工业控制计算机中常用的一种总线 。PC总线定义了总线定义了 62根引脚信号：根引脚信号： 8位双向数据总线，位双向数据总线， 20位地址总线、位地址总线、 6级中断、级中断、 存储器与存储器与IO读写控制线，读写控制线， 时钟与定时线，时钟与定时线， 3个个DMA通道的控制线、通道的控制线、 存储器刷新定时控

19、制线、存储器刷新定时控制线、 通道检查线、通道检查线、 四种电源线四种电源线+ 5V、-5V、+12V、-12V 地线地线 五、五、RS-232C标准接口总线标准接口总线1、RS-232C总线的特点和引脚定义总线的特点和引脚定义特点特点： 信号线少信号线少 有多种可供选择的信息传送速率有多种可供选择的信息传送速率 传送距离远传送距离远 引线：引线：RS-232C接口包括有两条通道：接口包括有两条通道： 初级通道初级通道 次级通道次级通道 辅助通道辅助通道返回通道返回通道2、RS232C总线的标准总线的标准 机械特性标准机械特性标准 连接器采用连接器采用DB-25插头和插座插头和插座 1 2 3

20、45678910111213141516171819202122232425电气特征标准电气特征标准 RS232C总线信号采用负逻辑。总线信号采用负逻辑。在在TxD和和RxD线上：线上：“1”-3V-25V ； “0”+3V+25V在在RTS、CTS、DSR、CD线上：线上： “ON”+3V+25V ； “OFF-3V-25V在连接在连接RS232C标准总线传送数据时，必须进行电平转换。标准总线传送数据时，必须进行电平转换。 3、终端、终端/计算机通信互连方式计算机通信互连方式六、六、RS422A总线总线 RS-422A总线规定使用双端发送总线规定使用双端发送器和接收器器和接收器 ，每个信号使

21、用二根，每个信号使用二根导线，导线，DTE和和DCE之间无公共地之间无公共地线，进行单向平衡式传送，可以有线，进行单向平衡式传送，可以有效地克服干扰的影响。效地克服干扰的影响。 RS-422A总线信号也采用负逻辑，逻辑总线信号也采用负逻辑，逻辑“1”状态电平为状态电平为-6V至至-2V；逻辑；逻辑”“”“0”状态电平为状态电平为+2V至至+6V，其中，其中-2V至至+2V用用作信号状态的变迁区。作信号状态的变迁区。 RS422A接口驱动和接收可采用集成电路来实现接口驱动和接收可采用集成电路来实现 RS422A在几十米的传送距离上，其速率可达在几十米的传送距离上，其速率可达10M波特，波特，若传

22、输波特率在若传输波特率在20K波特以下，其传送距离可达波特以下，其传送距离可达1500m。 注意：注意：以上以上RS-232C和和RS422A总线的总线标准是采用电压总线的总线标准是采用电压信号，信号， DTE和和DCE之间没有光电隔离，容易受外界干扰的影之间没有光电隔离，容易受外界干扰的影响响 。20mA电流环接口电路增加了光电隔离电路，提高了系统电流环接口电路增加了光电隔离电路，提高了系统抗干扰的能力。抗干扰的能力。 7-4 7-4 多微处理机控制系统的通信技术多微处理机控制系统的通信技术通信要求：通信要求： 具有高可靠性。具有高可靠性。 具有高传送效率，提高并行处理能力，减少完成一个信具

23、有高传送效率，提高并行处理能力，减少完成一个信息交换所需的通信次数。息交换所需的通信次数。 有足够的缓冲区容量。有足够的缓冲区容量。 8-4-1 数据通信方式数据通信方式1总线连接的通信方式总线连接的通信方式2调制调制-解调连接的通信方式解调连接的通信方式调制有三种方式：调制有三种方式： 调幅方式：调幅方式：指载波的频率和相位都不变，而振幅随信号变化。指载波的频率和相位都不变，而振幅随信号变化。 调频方式：调频方式：指载波的振幅和相位都不变，而频率随信号变化。指载波的振幅和相位都不变，而频率随信号变化。 调相方式：调相方式：指载波的振幅和频率都不变，而相位随信号变化。指载波的振幅和频率都不变，

24、而相位随信号变化。实现这种调制实现这种调制-解调的设备叫调制解调的设备叫调制-解调器。解调器。通信距离可达数百米至数千米，通信速度一般只有几千波特。通信距离可达数百米至数千米，通信速度一般只有几千波特。3用过程输入输出装置连接的通信方式用过程输入输出装置连接的通信方式优点：优点：程序处理方便程序处理方便。缺点：缺点：不能远距离通信，通信能力有限，传送速度较低，传不能远距离通信，通信能力有限，传送速度较低，传送距离通常限制在送距离通常限制在500m左右。左右。4高速数据通道连接的通信方式高速数据通道连接的通信方式优点：优点：对主机运行的干扰少，传送速率较高，传送距离较远。对主机运行的干扰少，传送

25、速率较高，传送距离较远。且配线简单，通用性强、扩展容易，集散控制系统大都采用高且配线简单，通用性强、扩展容易，集散控制系统大都采用高速数据通道。速数据通道。7-4-2 紧耦合多微机系统的紧耦合多微机系统的共享存储器通信共享存储器通信1、 多端口公共存储器通信多端口公共存储器通信结构特点结构特点：工作过程：工作过程：优点：优点：提供了大量的微机之提供了大量的微机之间的通信路径，通信速度快。间的通信路径，通信速度快。缺点：缺点： 微机台数增加，多微机台数增加，多路通道复杂，通信效率则下路通道复杂，通信效率则下降。降。2、共享存储器多微机系统举例、共享存储器多微机系统举例7-4-3 松耦合多微机系统

26、的通信松耦合多微机系统的通信 1、集中控制式并行总线结构的通信、集中控制式并行总线结构的通信系统总线通信控制线：系统总线通信控制线： /REQ /DIR /ALL /STA /ANS /END /RESET 通信过程：通信过程：pipj 串行传送方式：串行传送方式：在数据传输在数据传输时，数据编码字符不是同时时，数据编码字符不是同时发送的，而是按一定顺序，发送的，而是按一定顺序，一位接一位在通信线路中被一位接一位在通信线路中被发送和接收的。发送和接收的。1) 系统结构系统结构 2、多微机控制系统中串行数据通信、多微机控制系统中串行数据通信串行信息传送的方法有：串行信息传送的方法有： 令牌传送法

27、令牌传送法 时间片法时间片法 寄存器插入法寄存器插入法 2) 令牌传送方式令牌传送方式信息帧格式：信息帧格式： 标志标志FLAG目的地目的地址址原地原地址址控制信控制信息息数据数据M检验检验回答回答ACK令牌令牌TOKEN标志和令牌是特殊规定的代码标志和令牌是特殊规定的代码美国阿波罗系统中规定：美国阿波罗系统中规定： 标志标志(FLAG)011111101 令牌令牌(TOKEN)011111100TBnet局部网：局部网： 标志标志(FLAG)011111110 令牌令牌(TOKEN)01111110 3) 令牌传送和存取控制令牌传送和存取控制工作过程工作过程 ABCD网络中的信息分布况为：网

28、络中的信息分布况为： 标志标志目的地址目的地址C原地址原地址A控制信息控制信息数据数据M1检验码检验码ACK0令牌令牌标志标志目的地址目的地址C原地址原地址A控制控制数据数据M1检验检验CRCACK1标志标志目的地址目的地址B原地址原地址D控制控制数据数据M2检验检验CRCACK0令牌令牌传送信息中只剩下节点传送信息中只剩下节点D发往节点发往节点B的信息时。信息分布为：的信息时。信息分布为：标志标志目的地址目的地址B原地址原地址D控制信控制信息息数据数据M2检验检验CRCACK0令牌令牌ABCD4) 环路令牌传送的要点及特点：环路令牌传送的要点及特点：环路令牌传送的要点：环路令牌传送的要点：

29、网络拓扑结构为一环路。网络拓扑结构为一环路。 由令牌来控制对信息的访问权。由令牌来控制对信息的访问权。 任何一个站，允许保持令牌的时间是限定的。任何一个站，允许保持令牌的时间是限定的。 令牌是根据站地址及其逻辑环上的顺序进行传递的。令牌是根据站地址及其逻辑环上的顺序进行传递的。环路令牌传送的特点：环路令牌传送的特点： 适用于实时监控系统。适用于实时监控系统。 控制不太复杂，且全部采用数字技术，适用于各种控制不太复杂，且全部采用数字技术，适用于各种传输媒体传输媒体 环路中需要有防止令牌增多或令牌丢失的诊断方法。环路中需要有防止令牌增多或令牌丢失的诊断方法。 当环中某一节点忙于别的事或出故障时，环接口应当环中某一节点忙于别的事或出故障时，环接口应通过程序设定将旁路开关合上，以保证环路仍能继续通过程序设定将旁路开关合上，以保证环路仍能继续工作。工作。 7-5 多微处理机控制系统举例多微处理机控制系统举例多微处理机多微处理机CNC数控系统数控系统 一、系统构成一、系统构成 系统结构系统结构 结构特点结构特点 采用总线紧耦采用总线紧耦合结构合结构 系统按主从式系统按主从式结构设计结构设计 STD总线作为微机之间通信通